第四章 研究成果
第二節 土地利用型態與熱島效應強度分析
為了了解台中地區近 30 年土地利用型態與溫度之變遷情形，首先本段落分 析各年度地表溫度之空間分布，使用地物分類指標衡量與地表溫度之統計關係，
而後計算各年度平均熱島效應強度，並量化熱島效應強度冷熱區分布及移動情形；
最後使用最小統計區與國土利用調查資料，以最小統計區為基準分析熱島效應強 度與土地利用類型之相關性。
一、地表溫度整體空間分析
本研究藉由反演公式計算 Landsat 5 與 Landsat 8 熱紅外光波段之地表溫度資 料結果如圖 6、圖 7 所示。
圖 6 1991、1998、2003 年地表溫度分布圖
二、地物分類指標迴歸分析
本段落採用兩常用地物分類指數，分別是常態化差異植生指標(NDVI)與常態 化差異建物指標(NDBI)，將此二指標與地表溫度(LST)進行多元迴歸分析，由於此 二指數對於簡單二分植被或人工建物有其優勢，可作為地物類型差異的簡易分類 表徵，因此本研究期望能藉由此二常用地物分類指數，量化土地利用類型與地表 溫度之關係。
為了符合迴歸統計分析符合樣本獨立性之前提假設，本研究按研究區總面積 為比例產生 4090 個隨機點，擷取各點各年度之 LST、NDVI 與 NDBI 值，以滿足迴 歸分析樣本獨立性之假設，繪製三變數之數據散佈圖觀察數值關係以決定選擇之 迴歸方程式類型，同時亦進行皮爾森相關係數分析；對應著數據分布與相關係數，
本研究以 LST 為依變數，NDVI 與 NDBI 為自變數進行簡單迴歸分析(Simple linear regression)與多元迴歸分析(Multiple regression)，此二迴歸分析皆可以決定細數 ( R2 )與均方根誤差(RMSE)來衡量模式適配性，決定係數代表迴歸模型的預測力、
解釋力，均方根誤差則是衡量模型與實際值的落差，另外也以標準化係數 β 值來 觀察各變數對依變項之影響力變化，本研究同時也注意 VIF 與 Durbin-Watson 值，
檢視資料是否有多元共線性以及殘差獨立的情形。
本研究先繪製各年度數值散佈圖，初步理解三項數據之關係，結果呈現於圖 8。
圖 8 LST、NDVI、NDBI 數據之散佈圖
由圖 8 可見，LST 與 NDVI 呈負相關，與 NDBI 呈正相關，也結果也由皮爾森 相關係數實證此數據關係，相關分析結果整理於表 8。在表 8 中同樣可見 NDVI 與 LST 在各年度皆為顯著負相關，而 NDBI 則是顯著正相關的數據關係，此外，
1998 至 2019 年兩指數之顯著負相關且持續增加，也意味著土地利用類型愈趨兩 極化。
由 LST、NDVI 與 NDBI 之數據散佈圖及相關分析結果可以得知，三項變數的 關係呈線性關係，因此迴歸分析應採用線性迴歸為最適選擇。以此為基礎，本研 究續進行 NDVI、NDBI 與 LST 之迴歸分析，詳細迴歸分析結果整理列於表 9。
簡單迴歸分析之迴歸係數呼應了相關係數分析的結果，LST 對 NDVI 是負向 的線性相關，而 NDBI 是正向的線性相關，尤其 2019 年迴歸係數為此六年度之 最，此意味著人工建物與植被所影響的溫度差異漸趨兩極化。
R2的部分，簡單迴歸分析之 R2皆在 0.5 以上，部分年度也有 0.6 以上，仔細 觀察後發現，1991 至 2003 是 NDVI 與 LST 之迴歸式 R2較大，2009 年至 2019 年 則是 NDBI 與 LST 之迴歸式 R2較大，此交叉轉變代表影響地表溫度的力量，由植 被類型漸轉為人工建物。
多元迴歸分析的部分，多元迴歸模型的 R2皆較簡單迴歸模型更佳，RMSE 大 部分也較簡單迴歸模型來的低，代表使用兩指數同時進行對於地表溫度的預測或
表 8 NDVI、NDBI、LST 皮爾森相關係數分析
**表示在 99%信心水準下呈現顯著性
解釋，優於僅使用單一指數來衡量。藉由多元迴歸的標準化係數 β 值可發現，兩 指數對於地表溫度之影響力，在 2003 至 2009 年間出現交叉，也意味著早期本研 究區的地表溫度受植被的影響較多，而至近年則是人工建物扮演較重要之角色。
上述敘述統計與迴歸分析證明了 LST 與 NDVI、NDBI 兩指數之間的數據關係，
由於此二地物分類指數代表著植被與人工建物這兩個土地利用類型，且上述結果 得出兩指數對於解釋、預測 LST 有其一定的解釋力，因此，本段落續探究 NDVI 與 NDBI 兩指數之空間分布情形，分析各年度之冷熱區空間分布，使用 120m 網 格計算重新取樣後，進行 Getis-Ord Gi*熱點分析，結果如圖 9 所示。
結果顯示，NDVI 的熱區，1991 年時因霧峰、大雅、神岡區內的稻作農業呈 現熱區，但自從 1998 年後已經幾乎消失，另外就是研究區東側邊緣的丘陵地帶，
在所有的研究年度中皆維持顯著熱區；而 NDVI 冷區的部分，毫無意外的是以舊 台中市區為主要，東北側的豐原市區與大肚台地上的台中工業區也是 NDVI 顯著 冷區的部分。而 NDBI 熱區的部分，主要除了建成區數值較高呈現熱區外，裸露 地的區域也會呈現顯著熱區，因此 1991 年與 2003 年部分在大肚台地上呈現的 熱區屬於裸露地導致 NDBI 高值集中。
表 9 LST 與 NDVI、NDBI 之簡單迴歸、多元迴歸結果
圖 9 以 120M 網格計算 NDVI 與 NDBI 之熱點分析結果。由左而右依序是 1991、1998、2003、2009、2015 與 2019 年。圖中紅色為熱區範圍，藍色為冷 區範圍。
120M NDVI 熱點分析
120M NDBI 熱點分析
本段落經由簡單迴歸分析與多元迴歸分析，計算 LST 與 NDVI、NDBI 之統計 關係，分析結果顯示使用地物分類指數來量化其與地表溫度之關係，具有一定程 度的解釋力，模型適配性部分皆有五成以上，又多元迴歸模型解釋力較簡單迴歸 為佳；另外，藉由迴歸係數之交叉變化，亦可推論台中地區影響台中地區地表溫 度之因素，早期屬於植被層面影響較多，至近年則是人工建物有愈多的影響力。
三、熱島效應強度時空分析
本段落將進行熱島效應強度分析，計算研究區平均熱島效應強度與冷熱區範 圍後，再量化冷熱區各年度間移動之方向與距離，分析台中地區近 30 年冷熱區 分布範圍與移動情形。
本研究沿用前人所提出之熱島效應強度計算式，使用式 18 將各 pixel 之原始 地表溫度值，轉換為熱島效應強度值，而後再以式 19 計算研究區各年度的平均 熱島效應強度值。
根據式 19 計算研究區全區平均熱島效應強度值結果，1991 年為 3.01 度，
1998 年為 5.06 度，2003 年為 5.51 度，2009 年為 4.68 度，2015 年為 4.71 度，
2019 年為 5.77 度。
本研究首先對各年度熱島效應強度進行熱點分析(Hot spot analysis, Getis-Ord Gi*)，熱點分析可呈現研究區數據在 90%、95%與 99%信心水準下之冷區(Cold spot) 熱區(Hot spot)位置，給予研究者了解高值與低值空間聚集的特性。
由於 Landsat 熱紅外光波段在 Landsat 5 與 Landsat 8 分別為 120、100 公尺解 析度，因此本研究進行熱點分析時，採用較大之 120 公尺為基準計算，將較細之 100 公尺解析度影像重新取樣為 120 公尺。各年度熱點分析結果圖 10。
圖 10 以 120 公尺網格呈現地表溫度(LST)之熱點分析(Getis-Ord Gi*)結果。依 序是 1991、1998、2003、2009、2015 與 2019 年。
首先分析熱區(Hot Spot)的部分，觀察 1991 年至 2019 年間六個年度之分析 結果可發現，其中一個熱區是原本俗稱的台中市中心，也就是以火車站為核心延 伸出去的周圍，此熱區在 2003 與 2009 年有縮小，並逐漸分裂為西北、東南兩 塊，將 1991 年與 2019 年相比，此熱區已漸漸向東、向南轉移，2019 年呈現以 太平、大里境內為主要區域。另外，大肚台地上的台中工業區、北屯區的重劃區 等，在多個年度上也呈現為熱區，但範圍較小；值得一提的是，位於研究區東北 側的豐原市區，從 1991 年為顯著的熱區，範圍持續縮小，至 2019 年溫度峰值集 中呈現於豐原市區的情形已不復見。
至於冷區(Cold Sopt)的部分，研究區東側、南側之低矮丘陵地，因長期屬於 森林地型態，呈現皆是冷區的情形；而大雅、神岡境內在 1991 年仍有部分冷區，
此部分是因為農田的土地利用型態，然而隨著時間推移漸不顯著，這部分也與該 區域農地廢耕轉為工廠等用途有關，直至 2019 年才有部分區域重回冷區的情形；
另外，在研究區南側的霧峰區境內，1991 至 2009 年，也有部分因農田面積廣而 有冷區的情形，然而在 2015 年與 2019 年無此情況。
為了量化冷熱區的位置及移動情形，本研究續將冷熱區區域轉為點資料，計 算其歐幾里德距離中心，分析各點依序移動方向與距離，藉此量化台中地區熱島 效應之移動趨勢，熱島效應強度熱區移動如圖 11，冷區移動如圖 12 所示。
熱區的部分， 1991 至 1998 年熱區向北偏東 20 度移動約 1550 公尺，1998 至 2003 年熱區向西偏北 48 度移動約 2100 公尺，2003 年至 2009 年熱區向東偏 南 26 度移動約 1300 公尺，2009 年至 2015 年熱區向南偏東 10 度移動約 3000 公 尺，最後 2015 年至 2019 年熱區向南偏東 36 度移動約 1410 公尺。
冷區的部分，移動距離與方向的部分，1991 年至 1998 年冷區向南偏東 35 度移動約 10 公里，1998 至 2003 年向北偏西 32 度移動約 990 公尺，2003 至 2009 年向南偏西 9 度方向移動約 450 公尺，2009 至 2015 年向北偏東 8 度移動約 1900 公尺，2015 年至 2019 年向西偏北 21 度移動約 830 公尺。
圖 11 台中地區熱島效應強度熱區重心分布移動
圖 12 台中地區熱島效應強度冷區重心分布移動
總結台中地區熱島效應強度之空間分布與轉移情形，本研究遂將六個年度之 冷熱區範圍分別萃取出來，疊合六個年度、五個年度(1998、2003、2009、2015、
2019 年)與四個年度(2003、2009、2015、2019 年)之冷熱區空間分布(圖 13)，結 果顯示熱區恆出現在東區與太平區，也有部分出現在大里區內，至於在豐原、北 屯的重劃區邊緣、南區與台中工業區也有少許熱區恆在；冷區的部分，恆常出現 的區域大部分屬於研究區東側之丘陵地帶，另外也有部分出現在研究區西側，屬 於南屯、烏日區的範圍，筏子溪兩側之春社里、鎮平里與學田里等區域。
圖 13 疊合六個時期、五個時期、四個時期冷熱區空間分布
四、土地利用類型熱島強度差異分析
前段所進行的是以地物分類指數 NDVI 與 NDBI，衡量其與地表溫度之統計關
前段所進行的是以地物分類指數 NDVI 與 NDBI，衡量其與地表溫度之統計關